Phosphure d’indium (InP), arséniure de gallium (GaAs), arséniure de gallium-indium (InGaAs)… Ces combinaisons d’éléments appartenant aux colonnes III et V du tableau périodique, n’existant pas à l’état naturel, ont des propriétés électroniques et optiques exceptionnelles - ce sont les constituants des LED par exemple. Et elles sont la raison d’être du III-V Lab, sis à Palaiseau sur le plateau de Saclay, qui a célébré ses 20 ans le mardi 15 octobre dernier.
Ce groupement d’intérêt économique réunit Nokia, Thales, les fondateurs, qui ont été rejoints par le CEA en 2011. De par les activités de ses membres, il est « assez unique dans le domaine de la R&D », fait remarquer Jean-Luc Beylat, qui dirige le Nokia Bell Labs en France.
Transferts tehno et spin-offs
Le III-V Lab met à profit son budget annuel de 25 millions d’euros et ses 130 chercheurs pour élaborer des composants qui pourraient avoir des applications dans les télécoms, les radars et autres systèmes de détection. « Tel composant peut apporter une différenciation quand il sera intégré à des systèmes plus tard », justifie Jean-Luc Beylat. Soit un possible avantage compétitif face à la concurrence, qu’elle soit américaine ou asiatique.
Des transferts technologiques ont déjà eu lieu vers Lynred (capteurs infrarouges) et United Monolithic Semiconductors (UMS, microélectronique). Et deux spin-off sont issues du III-V Lab : Mirsense (analyseurs de gaz) et Almae Technologies (transmetteurs pour les télécoms ). Dans le futur, le III-V Lab pourrait s’ouvrir à d’autres partenaires – les objectifs sont rediscutés tous les cinq ans -, ou même devenir un hub, interconnectant les acteurs de la chaîne de valeur, des fournisseurs de matériaux aux clients finaux de ces technologies.
A l’occasion du vingtième anniversaire du III-V Lab, Industrei & Technologies a sélectionné quatre technologies innovantes développées dans le laboratoire.
Favoriser la croissance du phosphure d’indium sur le silicium
Miniaturisation, augmentation du débit, atténuation des pertes, diminution de la chaleur produite… La croissance de composants III-V au-dessus du silicium permettrait de superposer dans un même circuit l’électronique de contrôle et les fonctions optiques. Un procédé qui serait intéressant pour les télécoms et en particulier l’optronique, mot-valise désignant la conversion des signaux électroniques aux signaux optiques, et vice-versa.
Mais ces matériaux ne s’empilent pas de façon triviale car leur maille cristalline ne s’accorde pas. D’où l’idée d’interposer une très fine couche d’InP, « collée » sur le silicium grâce aux forces intermoléculaires (Van der Walls), voire covalentes grâce à une cuisson.
Cette technique de report de phosphure d’indium sur silicium (dite InPoSi, pour InP on Silicon) par collage moléculaire est l’un des sujets R&D du III-V Lab. Elle sera aussi étudiée dans le cadre du projet européen Move2THz, piloté par Soitec et auquel participe le III-V Lab.
Amplifier les signaux optiques grâce aux semi-conducteurs
Dans les télécoms, l’amplification directe d’un signal optique se fait aujourd’hui majoritairement grâce à une fibre optique dopée à l’erbium, entre 1530 et 1550 nanomètres. L’amplification optique à semi-conducteurs, ou SOA, est une autre option technologique.
« Une source de pompage optique a très vite été trouvée pour l’erbium et le SOA a perdu la bataille il y a 30 ans, la faute aussi aux mauvaises connexions avec la fibre qui induisaient du bruit, relate Jean-Luc Beylat. Mais on constate un regain d’intérêt pour le SOA, car la fenêtre d’amplification de l’erbium est fixée par sa transition électronique alors qu’avec le SOA elle peut être optimisée en jouant sur la couche active (qui va émettre les photons, ndlr) d’un composant III-V. »
Le III-V Lab a réussi à obtenir une fenêtre de 110-120 nanomètres, environ quatre fois supérieure à celle de l’erbium. Le bénéfice serait de pouvoir amplifier simultanément plusieurs longueurs d’onde multiplexées et donc de multiplier la bande passante transmise par une fibre. Le système d’amplification serait en outre miniaturisé et sans terres rares.
Les recherches en sont au stade la preuve de concept. « Nous avons fait beaucoup d’essais avec les hyperscalers (les grands fournisseurs de services cloud tels que Google, Amazon et Microsoft) et ils sont intéressés par cette technologie », informe Jean-Luc Beylat. Autres débouchés commerciaux : les communications inter-satellites en orbite basse, qui se multiplient avec l’avènement des constellations de satellites, et les lidars pour les véhicules autonomes.
Accroître les fréquences grâce à de nouveaux transistors III-V
La montée en fréquence des transistors doit accompagner les débits croissants que requièrent les applications radiofréquences, en particulier les télécoms avec l’arrivée de la 6G dans quelques années.
Un gain de performances assuré par l’InP par dans le transistor bipolaire à hétérojonction, fondamentalement un amplificateur de puissance avec deux matériaux semi-conducteurs différents (InP et arséniure de gallium-indium…) à la jonction entre l’émetteur et la source.
« Nous atteignons désormais 350 GHz contre quelques gigahertz au début du III-V Lab, souligne Jean-Luc Beylat. On transfère de plus en plus ces technologies vers les cartes émetteurs-récepteurs de Nokia. »
Augmenter la puissance de l’électronique grâce au nitrure de gallium
Les transistors pour l’électronique de puissance ont une importance croissante pour l’électrification des véhicules et les transmissions par faisceau hertzien, entre autres. Mais c’était déjà un enjeu majeur pour l’industrie nationale de la défense au début des années 2000, quand les technologies américaines dominaient le marché.
Pour Thales, il s’agissait de développer sur le sol national une alternative avec des performances équivalentes pour les applications radar ou encore le brouillage électronique. Chose qui a été faite au III-V Lab avec la mise au point de transistors en GaAs puis en GaN, ce dernier offrant un gain supérieur.
